Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА НА ОСНОВЕ ОРИЕНТИРОВАННОГО МАССИВА НАНОПЛАСТИНОК GASE/GAAS

Настоящее изобретение относится к области оптоэлектроники, а более конкретно к области оптических интегральных микросхем, использующих источники поляризованного света (ИПС) видимого спектрального диапазона для кодирования и передачи информации.

Источники поляризованного света в настоящее время необходимы для множества коммерческих применений. В частности, поляризованный свет используют в нелинейных преобразователях частоты, где согласование фаз в нелинейном кристалле обычно получается только для одного направления поляризации. Также ИПС находят широкое применение в жидкокристаллических дисплеях (ЖК) из-за значительного снижения потребления электроэнергии по сравнению с обычными источниками света. Использование поляризованного света очень эффективно и для внутреннего освещения, так как позволяет значительно уменьшить блики от горизонтальных поверхностей, снизить напряжение глаз и уменьшить требования к мощности излучения за счет устранения ненужных дополнительных поляризующих компонент. Поляризованный свет необходим для создания систем трехмерного отображения информации, может использоваться в различных медицинских применениях и т.д. Еще одно важное применение - это использование ИПС в оптических интегральных микросхемах. Весь этот огромный спектр применений определяет актуальность поиска новых идей и разработки конструкций эффективных компактных ИПС. При создании таких источников необходимо учитывать как их энергоэффективность (в том числе и с целью решения актуальной проблемы снижения выбросов CO₂ в атмосферу), так и экономическую составляющую, то есть затраты на их производство.

Основными требованиями к ИПС для обеспечения возможности его интеграции в оптические интегральные схемы являются: малые габариты устройства; малое число компонентов и простота их согласования между собой; низкая стоимость устройства; высокая степень линейной поляризации света (50:1 и более); высокая эффективность преобразования неполяризованного излучения в поляризованное.

Из существующего уровня техники известны способы непосредственного получения поляризованного света. В частности, когерентный поляризованный свет излучается лазерами и лазерными диодами (ЛД). Степень поляризации света зависит от тока ЛД, и ее минимальное значение наблюдается вблизи порога лазерной генерации. При работе ЛД в режимах вблизи максимальной номинальной выходной мощности степень поляризации излучения может достигать значения 100:1 (~0,98) и выше. Например, степень поляризации излучения коммерческих сине-зеленых лазерных диодов на основе GaN производства компании OSRAM согласно спецификации достигает 100:1 (https://www.worldstartech.com/products/laser-diodes/green-laser-diode-osram/).

Основной недостаток ИПС на основе ЛД связан с использованием больших токов накачки, необходимых для создания режима лазерной генерации, что, соответственно, требует использования мощных теплоотводов в корпусированных ЛД. Именно последние приводят к увеличению габаритов устройств, что препятствует использованию таких ИПС в оптических интегральных микросхемах.

Преимущества использования твердотельных светоизлучающих диодов (СИД) в качестве источников света определяются их малыми размерами и высокой яркостью. Однако, степень поляризации излучения СИД значительно меньше, чем в ЛД. В частности, для коммерческих стандартных синих и ультрафиолетовых СИД на основе III-нитридов, выращиваемых на стандартных подложках с-сапфира (0001), степень поляризации излучения составляет ~0,3-0,4 (см., J. Shakya et al., Polarization of III-nitride blue and ultraviolet light-emitting diodes, Applied Physics Letters 86, 091107, 2005).

Более высокое значение степени собственного линейно поляризованного излучения света может быть получено в светодиодных структурах, выращиваемых на неполярных/полуполярных подложках (см., Y.J. Zhao, Q.M. Yan, D. Feezell, K. Fujito, C.G. Van de Walle, J.S. Speck, S.P. DenBaars, S. Nakamura, Optical Polarization Characteristics of Semipolar Opt. Express 21, A53-A59, 2013). Однако, в случае GaN СИД, выращенных на полуполярных подложках, степень поляризации излучения также не превышает значения ~0,8 (10:1).

Излучение с высокой степенью поляризации может быть получено путем интеграции наноструктур в конструкцию СИД, таких, например, как поляризационная решетка на основе металлов (см. М. Ma, D.S. Meyaard, Q.F. Shan, J. Cho, E.F. Schubert, G.B. Kim, M.-H. Kim, C. Sone, Polarized Light Emission from GaInN Light-Emitting Diodes Embedded with Subwavelength Aluminum Wire-Grid Polarizers, Appl. Phys. Lett. 101, 061103, 2012). Однако степень поляризации излучения по-прежнему недостаточна для коммерческих применений.

Из-за уникального сочетания оптико-физических характеристик и свойств анизотропных жидкостей, люминесцентные жидкие кристаллы (ЖК) перспективны для реализации поляризационных СИД на основе органических материалов (ОСИД - органические светодиоды). Известно устройство для получения поляризованного света на основе ОСИД (см. патент US7037599, МПК Н05В 33/14, опубликован 02.05.2006), включающее устройство, содержащее подложку, анодный и катодный электроды, одноосный ориентирующий слой, расположенный между анодным и катодным электродом, светоизлучающий слой, расположенный над одноосным ориентирующим слоем и способный генерировать поляризованный свет, причем молекулы в светоизлучающем слое должны быть выровнены одноосно вдоль определенного направления, и слой ограничения носителей заряда, расположенный выше светоизлучающего слоя, причем слой ограничения носителей заряда блокирует дырки, электроны или экситоны, и при этом рекомбинация дырок из анода и электронов из катода ограничена этим слоем. В качестве светоизлучающего слоя используется олигомерный флуорен или смесь олигомерных флуоренов.

Один из основных недостатков ИПС на основе ОСИД связан с меньшим временем жизни ОСИД по сравнению с ИПС, использующими стандартные СИД на основе нитридов 3-ей группы в качестве источника неполяризованного света. Кроме того, максимальная степень поляризации (дихроичное отношение), продемонстрированная в высокоэффективных поляризационных ОСИД, использующих люминесцентные ЖК-материалы на основе олигофлуорена, не превышает 30:1, что все еще ниже требований коммерческого использования (более 40:1).

Также известно устройство для получения поляризованного света (см. патент US6710541, МПК G02B 5/30; H01L 51/52, опубликован 23.03.2004), включающее неполяризованный источник света, состоящей из органического электролюминесцентного или фотолюминесцентного устройства и поляризатор на основе холестерического жидкого кристалла. Основной недостаток известного ИПС также связан с недостаточной степенью линейной поляризации света.

Основное направление при разработке конструкций ИПС в настоящее время связано с задачей повышения их максимальной эффективности. Добавление в конструкцию ИПС внешнего поляризатора приводит к существенным потерям света (по меньшей мере, 50%), поэтому при разработке конструкций ИПС основное внимание уделяется увеличению эффективности сбора и последующего повторного использования части светового потока с «нежелательной» поляризацией. Это, однако, приводит к усложнению конструкции устройств и, в значительной степени, к увеличению размеров и стоимости ИПС.

Известно устройство для получения поляризованного света (см. патент RU 2479071, МПК H01L 31/44, опубликован 10.04.2013), включающее кристалл СИД, имеющего первую поверхность, вторую поверхность и, по меньшей мере, одну боковую грань, соединяющую первую и вторую поверхности, светополяризующий слой, светоблокирующий слой, светоотражающий слой, при этом светополяризующий слой расположен на первой поверхности, светоблокирующий слой расположен, по меньшей мере, на одной боковой грани, а светоотражающий слой расположен на второй поверхности кристалла СИД. В качестве светополяризующего слоя предложено использовать отражающий поляризатор на холестерическом жидком кристалле или поляризатор с проволочной сеткой. Светополяризующий слой может быть может быть сформирован непосредственно на кристалле СИД в масштабе целой пластины, а затем последовательно нарезан, или, альтернативно, изготовлен на несущей подложке, нарезан и последовательно присоединен к кристаллу СИД с использованием соответствующего связующего контакта.

При использовании поляризующего слоя на основе холестерического жидкого кристалла достигаемая степень линейной поляризации света не превышает значения 30:1 (~0,93) (лабораторные значения). В случае же использования поляризатора с проволочной сеткой основными недостатками являются серьезные технологические трудности при формировании поляризующего слоя и, как следствие, высокая стоимость конечного устройства. В частности, было показано (см. М. Ma et al., Appl. Phys. Lett. 101, 061103, 2012), что при формировании поляризатора с проволочной сеткой из Al с обратной стороны сапфировой подложки InGaN СИД с использованием комбинации методов электронно-лучевой литографии и индуктивно-связанного плазменного реактивного ионного травления, можно достигнуть значения степени линейной поляризации излучения более 0,9. Однако необходимый период металлической решетки порядка 100-150 нм оказывается очень близок к разрешающей способности метода электронно-лучевой литографии.

Известен жидкокристаллический дисплейный проектор, включающий в себя источник света, коллиматорную линзу, планарный преобразователь поляризации, жидкокристаллическую дисплейную панель и проекционные линзы (см. патент US 5940149, МПК G02B 27/28; G02B 5/04; G02B 5/124; G02B 5/30, опубликован 17.08.1999). Преобразователь поляризации в этом устройстве выполнен в виде набора пленок и включает в себя пленарные компоненты: призматическую пленку, отражающую поляризационную пленку и пленку четвертьволнового замедлителя, расположенную между призматической и поляризационной пленками. Призматическая поверхность имеет чередующиеся пропускающие и отражающие призматические грани, расположенные под определенными базовыми углами.

Принципиально, поляризационные разделители пучка могут обеспечивать поляризационный контраст до уровня 3000:1 для определенных длин волн. Однако недостатком такого технического решения является необходимость четкого согласования всех элементов преобразователя поляризации. Более того, известный пленарный преобразователь поляризации света оптимизирован для использования в полноцветных проекционных системах с большой диагональю ЖК-дисплея. Наличие множества требующих согласования компонент, в том числе коллиматорной линзы, затрудняет (или даже делает невозможным) использование данного преобразователя поляризации в оптических интегральных схемах.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к настоящему устройству является устройство для получения поляризованного света (см. патент US7037599, МПК Н05В 33/14, опубликован 02.05.2006), принятый за прототип. Устройство-прототип состоит из источника неполяризованного света (СИД), оптически соединенного с внешним поляризующим элементом, обеспечивающее высокую степень поляризации света. Во внешнем поляризаторе в качестве светоизлучающего слоя использован олигомерный флуорен или смесь олигомерных флуоренов, что позволяет получить на выходе поляризованный свет со степенью линейной поляризации до 30:1.

Достоинством известного решения является компактность и простота устройства (по-существу, один элемент). Недостатками известного ИПС является недостаточная степень линейной поляризации света и меньшее время жизни по сравнению с ИПС, использующими стандартные СИД на основе нитридов III группы в качестве источника неполяризованного света.

Задачей настоящего технического решения являлось разработка устройства для получения поляризованного света, которое бы удовлетворяло основным требованиями к ИПС для интеграции в оптические интегральные схемы, а именно имело малые размеры, определяемые главным образом размерами источника неполяризованного света, высокую эффективность преобразования неполяризованного излучения в поляризованное (до 90%) и высокую степень линейной поляризации света (50:1 и более).

Поставленная задача решается тем, что устройство для получения поляризованного света включает источник неполяризованного света, оптически соединенный с внешним поляризующим элементом. Новым в устройстве является то, что внешний поляризующий элемент выполнен в виде подложки из GaAs с ориентацией (001), на которой сформирован слой из нанопластинок двумерного кристалла GaSe, ориентированных вдоль выделенных направлений <111> подложки GaAs.

Источник неполяризованного света может быть выполнен импульсным или постоянным.

Источник неполяризованного света может быть выполнен в виде светоизлучающего диода.

Светоизлучающий диод может быть выполнен на основе соединений III-N с длиной волны излучения в диапазоне 380-550 нм (т.е. зеленого, синего или ультрафиолетового диапазона).

Слой из нанопластинок двумерного кристалла GaSe, ориентированных вдоль выделенных направлений <111> подложки GaAs, может быть выполнен толщиной 150-250 нм.

Использование для создания поляризованного света ориентированного массива нанопластинок из GaSe определяется фундаментальными правилами отбора для оптических переходов, которые разрешают оптические переходы только вдоль оси с кристалла GaSe. Ширина запрещенной зоны GaSe лежит в видимом диапазоне спектра (Eg~2 эВ, Т=300 K), что приводит к излучению линейно поляризованного света в красно-оранжевом спектральном диапазоне (λ~620 нм) со степенью поляризации близкой к 100% (~0,96-0,97 или (50-60):1) и с эффективностью преобразования неполяризованного излучения в поляризованное на уровне до 90% по интенсивности.

Достоинствами устройства для получения поляризованного света на основе ориентированного массива нанопластинок GaSe/GaAs являются высокое значение степени линейной поляризации света ((50-60):1) в видимом диапазоне спектра, компактные размеры устройства, определяемыми определяемые, главным образом, размерами источника неполяризованного света (светодиода), а также технологическая совместимость с относительно недорогими подложками GaAs.

Монохалькогенидные соединения, такие как GaSe, обладают важной отличительной особенностью: они являются прямозонными в объеме, а непрямозонными в монослойном пределе. Точнее говоря, в монослоях из-за формирования валентной зоны с боковыми максимумами (типа «мексиканской шляпы») структура становиться явно непрямозонной, тогда как два типа переходов имеют близкую энергию в объемном материале [D.V. Rybkovskiy, A.V. Osadchy, E.D. Obraztsova, Transition from parabolic to ring-shaped valence band maximum in few-layer GaS, GaSe, and InSe. Phys. Rev. В 90, 235302 (2014)]. Прямозонность в случае многослойных нанопластинок резко снижает требования к толщинам структур для приборных применений. Тонкая экситонная структура в GaSe такова, что сильный резонанс прямозонного экситона взаимодействует только со светом, поляризованным в плоскости, перпендикулярной монослоям (или тетраслоям, так как каждый монослой в случае GaSe состоит из четырех атомных плоскостей Se-Ga-Ga-Se) вследствие симметрийных правил отбора. Эти два обстоятельства были решающими при выборе GaSe как материала для компактного поляризатора.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 схематически изображено устройство для получения поляризованного света;

на фиг. 2 показано полученное методом растровой электронной микроскопии изображение поперечного сечения слоя нанопластинок из GaSe, выращенных на подложке GaAs(001) при температуре T_S=500°С;

на фиг. 3 схематически показано появление поляризованной компоненты фотолюминесценции из массива нанопластинок GaSe.

на фиг. 4 приведены спектры линейно поляризованной фотолюминесценции при комнатной температуре массива нанопластинок GaSe, сформированных на подложке GaAs(001), в области края фундаментального поглощения (Е || с и Е ⊥ с - параллельная и перпендикулярные оси с кристалла компоненты электрического поля, соответственно).

Устройство для получения поляризованного света (фиг. 1, фиг. 2) содержит источник 1 импульсного или постоянного неполяризованного света, например, в виде светоизлучающего диода на основе соединений III-N сине-зеленого, синего или ультрафиолетового диапазона (с длиной волны излучения в диапазоне 380-550 нм) и поляризующий элемент 2. Источник 1 оптически соединен с поляризующим элементом 2. Поляризующий элемент 2 выполнен в виде подложки 3 из GaAs с ориентацией (001), на которой сформированы нанопластинки 4 из GaSe, ориентированные вдоль выделенных направлений <111> подложки GaAs. Эффективная толщина слоя нанопластинок 4 GaSe составляет 150-250 нм.

Формирование нанопластинок 4 из GaSe производят посредством их выращивания методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложке 3 GaAs с ориентацией (001). При температурах подложки 3 T_S=500-520°C начальная стадия роста протекает с образованием химических связей между GaSe и подложкой 3 из GaAs, т.е. с формированием переходных субмонослоев. При этом вместо роста планарного слоя наблюдается формирование массива нанопластинок 4 из GaSe с наклоном оптической оси с относительно нормали к поверхности подложки 3 из GaAs(001), ориентированных преимущественно в выделенных направлениях, т.е. вдоль направлений <111> подложки 3 из GaAs. Рабочий интервал температур Ts~350-400°C, при которых наблюдается формирование ориентированного массива нанопластинок 4 из GaSe, определяется следующими факторами: при низких температурах подложки Ts~350-400°C рост GaSe протекает по механизму эпитаксии ван-дер-Ваальса с формированием относительно планарного слоя, при этом ось с слоя GaSe направлена по нормали к поверхности подложки 3 из GaAs; при Ts>520°C наблюдается переиспарение GaSe с поверхности подложки 3 из GaAs и рост не происходит; в температурном диапазоне Ts~400-500°C наблюдается промежуточный случай - формируется разнонаправленный массив нанопластинок 4 из GaSe, при этом ось с нанопластинок 4 из GaSe направлена под различными углами к поверхности подложки 3 из GaAs, т.е. отсутствует выделенное направление оптической оси с нанопластинок 4 из GaSe. Поддержание соотношения потоков элементов VI и III-ей групп, близкого к стехиометрическому, позволяет минимизировать включения паразитной фазы Ga₂Se₃ в выращенном слое GaSe. Важно отметить, что формирование ориентированного массива нанопластинок 4 из GaSe при выборе оптимального режима МПЭ и выбранной подложке 3 GaAs(001) происходит автоматически. На фиг. 2 показано полученное методом растровой электронной микроскопии изображение поперечного сечения слоя нанопластинок 4 из GaSe, выращенных на подложке 3 из GaAs(001) при температуре T_S=500°C. Нанопластинки 4 ориентированы преимущественно вдоль направлений <111> подложки GaAs 3. Это приводит к тому, что в геометрии изображения поперечного сечения, приведенной на фиг. 2 (скалывание кристалла происходит по базовым плоскостям типа (011) и (0-11)), нанопластинки 4 имеют наклон относительно нормали к поверхности подложки 3 из GaAs под углом ~45° в сторону направлений [1-10] и [-110].

Появление поляризованной компоненты фотолюминесценции из массива нанопластинок 4 из GaSe при возбуждении источником неполяризованного света схематически проиллюстрировано на фиг. 3. В геометрии возбуждения, показанной на фиг. 3, свет падает на массив наклонных нанопластинок 4 перпендикулярно подложке 3 из GaAs и под углом ~45° к оптической оси с нанопластинок 4 из GaSe. Внутри нанопластинки 4 свет содержит обе компоненты электрического поля Е || с и Е ⊥ с вследствие наклонного падения света относительно оси с. Согласно закону Снеллиуса, угол рефракции луча относительно с составляет 15° при показателе преломления GaSe n=2,874. При этих условиях соотношение амплитуд компонент можно оценить как Е || с и Е ⊥ с=0,25/0,75. Однако, несмотря на доминирование компоненты Е ⊥ с, основной вклад в излучение вносит синглетное состояние экситона, поляризованное вдоль оси с, которое по правилам отбора эффективно взаимодействует с компонентой Е || с. Взаимодействие триплетного состояния со светом возможно только при поляризации Е ⊥ с. Оно разрешено только вследствие спин-орбитального взаимодействия с нижними валентными зонами. Это взаимодействие в сотни раз слабее, чем для Е || с, поскольку энергетическое расстояние между верхней и последующими валентными зонами в GaSe велико, порядка 500 мэВ (см. Е. Mooser, М. Schlüter. The Band-Gap Excitons in Gallium Selenide. Nuovo Cimento 18, 164-208, 1973). В геометрии возбуждения, представленной на фиг. 3, в возбуждении поляризованной люминесценции в плотном массиве нанопластинок 4 из GaSe активно участвует отраженный свет. Многократное переотражение в массиве приводит к практически полной утилизации падающего светового потока. При условии полной утилизации светового потока, КПД преобразования неполяризованного излучения в поляризованное может быть оценен через внутренний квантовый выход

Y=Г_r/(Г_r и Г_nr),

где Г_r и Г_nr - скорости радиационного и нерадиационного затухания, соответственно. За величину Г_r можно принять скорость излучения перехода прямого экситона при низкой температуре (Т<10 K), когда все состояния локализованы, и транспорт к возможным дефектным центрам практически отсутствует. Эту величину можно определить как Г_r=1/τ_r через характерное быстрое время затухания фотолюминесценции τ_r. Исследования фотолюминесценции в GaSe с временным разрешением показали, что τ_r≈200 пс. Зонная структура GaSe, дополнительно к синглет-триплетному расщеплению (триплет ~2 мэВ ниже по энергии), характеризуется тем, что имеется непрямозонный переход, который расположен ниже по энергии на ~20 мэВ, чем прямозонный. В совершенных структурах, выращенных МПЭ, присутствие нижних по энергии состояний триплетного характера является основным каналом, определяющим «нерадиационное» затухание, паразитное по отношению к нужному эффекту. Излучение непрямозонного экситона с характерными медленными временами 5-6 не доминирует при низкой температуре, поскольку он является нижним по энергии. Однако при температуре (35-50) К, из-за малого энергетического расстояния между участвующими в процессе рекомбинации уровнями, происходит термализация состояний, и это время уменьшается. При дальнейшем подъеме температуры образуется единое состояние с характерным длинным временем затухания фотолюминесценции ~2,8 нс. Рассматривая его как 1/Г_nr, максимальный квантовый выход поляризованного излучения можно оценить как Y=0,93. Внешний квантовый выход зависит от эффективности вывода излучения. Этот параметр близок к единице в случае используемой системы с разветвленной поверхностью, состоящий из наклонных нанопластинок 4, которая значительно превышает по суммарной площади планарную поверхность основания подложки 3. Таким образом, можно сделать вывод, что при комнатной температуре достижима эффективность преобразования неполяризованного излучения в поляризованное на уровне ~90% по интенсивности. Для увеличения эффективности сбора поляризованного излучения можно использовать микролинзы или использовать эпоксидный купол, как в конструкциях СИД.

Пример. Был изготовлен экспериментальный образец устройства для получения поляризованного света. В качестве источника импульсного неполяризованного света был использован синий светодиод с длиной волны излучения 416 нм. Методом МПЭ на подложках из GaAs(001) были выращены нанопластинки из GaSe. В качестве источников молекулярных пучков были использованы стандартный элементный источник Ga и клапанный источник Se с разложителем (с температурой зоны разложения T_Se(cr)=500°C). Температура подложки составила T_S=500°C. Рост осуществлялся на поверхности буферного слоя GaAs, толщиной 200 нм, выращенного на подложке GaAs(001) в отдельной камере МПЭ. Инициация роста GaSe осуществлялась одновременным открытием заслонок Ga и Se на поверхность GaAs(001). Номинальная скорость роста GaSe составила 1,3 нм/мин. Соотношение потоков элементов VI и III групп при росте составило Se/Ga (ВЕР) ~ 22, что соответствует стехиометрии на поверхности роста при данных условиях МПЭ. Степень линейной поляризации света составила ~50:1 (0,96). Подтверждение сильной поляризационной зависимости было получено в эксперименте с квазирезонансном возбуждением (hv_exc=2,33 эВ), которое падало вдоль нормали к плоскости подложки. Испускаемый свет регистрировался в противоположном направлении. Линейно поляризованные спектры ФЛ массива нанопластинок GaSe в области края фундаментального поглощения представлены на фиг. 4. Спектральное положение (1,99 эВ) зоны излучения на фиг. 4 соответствует положению полосы излучения прямого экситона при Т=300 К. Наблюдаемое излучение свободного экситона поляризовано преимущественно вдоль Е || с. При возбуждении линейно-поляризованным светом поворот массива нанопластинок вокруг оси OO' на 90° приводил к возбуждению и регистрации слабой ФЛ нанокристалла в чистой поляризации Е ⊥ с из той же точки образца. Из фиг. 4 следует, что отношение интегральных интенсивностей ФЛ в двух различных поляризациях составляет ~50:1.